用于脉冲雷达的分辨率模式切换 |
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| 申请号 | CN201580053584.1 | 申请日 | 2015-09-29 | 公开(公告)号 | CN106716080A | 公开(公告)日 | 2017-05-24 |
| 申请人 | 霍尼韦尔国际公司; | 发明人 | M.K.Y.休斯; F.M.哈兰; | ||||
| 摘要 | 一种脉冲雷达 水 平感测的方法（100）。用由 探头 （240）发射到储罐（205）中的具有第一脉冲宽度的第一发送雷达脉冲执行的第一水平扫描（101），其中，第一水平扫描在第一扫描距离上。分析响应于第一脉冲而生成的第一回波以确定储罐中的材料的近似水平（102）。用由探头发射到储罐中的具有第二脉冲宽度的第二发送雷达脉冲的第二水平扫描（103），其中测量窗口＜包括近似水平的第一扫描距离。第二脉冲宽度＜第一脉冲宽度。分析响应于第二脉冲而生成的第二回波以确定已修订较高 分辨率 材料水平测量结果（104）。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种脉冲雷达水平感测的方法（100），包括： |
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| 说明书全文 | 用于脉冲雷达的分辨率模式切换[0001] 相关申请的交叉引用本申请要求2014年10月1日提交的题为“RESOLUTION MODE SWITCHING FOR PULSED RADAR LEVEL SENSING”的临时申请序号62/058,387的权益，该临时申请被整体地通过引用结合到本文中。 技术领域背景技术[0003] 具有容器或储罐（tank）（“储罐”）的工业厂房一般地需要定期地测量其中的液体或其它材料（诸如粉末）的水平。存在被用于水平测量的多个类型的系统和技术，其一般地使用依赖于使用飞行时间来分析回波以确定范围的时域反射计（TDR）。 [0004] 雷达可以是接触式雷达或非接触式雷达（NCR），以及脉冲或连续波雷达。调频连续波（FMCW）通常被用作NCR脉冲雷达水准仪（level gauge）系统，其一般地使用时间扩展技术来分辨飞行时间（TOF）。 [0005] GWR是用来测量储罐中的液体或固体的水平的特定接触式脉冲雷达方法。GWR通过生成电磁能的一连串脉冲并使该脉冲沿着形成到水平感测探头（或波导）中的传输线传播。探头一般地被垂直地放置于储罐或其它容器中，并且从探头的顶部向下发射电磁脉冲。探头以这种方式向要感测的材料和空气两者开放：传播脉冲的电磁场穿透空气直至其到达材料的水平为止。在那时，电磁场历经材料的较高介电常数。此较高介电常数引起传输线的阻抗的减小，导致脉冲回波被反射回到探头的顶部。脉冲以已知速度穿过探头的空气电介质部分。这允许通过测量脉冲从探头的顶部至水平和回波返回到探头的顶部的往返行进时间来确定探头上的材料水平。 发明内容 [0007] 所公开的实施例认识到用于确定储存罐（储罐）中的材料水平的基于常规脉冲雷达水准仪（PRG）的系统有时受到供应功率限制的约束而在低功率（例如，＜10mW）下操作，诸如当用双线连接供电时（例如，在低到10.5 V的电压下4至20 mA），其中，PRG的通信电子装置（例如，收发机）可以获取大部分的供应功率。由于用于供应给PRG的电路的瞬时功率的功率限制，能量积聚/储存在扫描/采样脉冲中间，通常储存在功率累积器（诸如功率累积器板的电容器组）中。由于PRG致使第一（初始）水平测量尽可能快速（例如，＜60秒）的需要而出现问题，因为可能仅储存了每次（每次采样或扫描）仅足以可用于对探头（其可能约75 m长，例如对于导波雷达（GWR）而言）的约5m至20m的长度进行采样的功率，使得可能不能够满足迅速的初始水平测量的启动要求，特别是当所需水平分辨率小于或等于（≤）约1 mm时。 [0008] 另外，当面对相对相当有挑战性的过程条件时，诸如当产品材料包括泡沫或乳剂、快速变化的过程水平、薄的界面和/或储罐中的移动障碍物时，当前水平信息可能丢失。在这种情况下，可能需要使PRG再次地尽快找到水平。这导致需要本质上再次地初始化并完成新的水平测量。 [0009] 一个公开实施例是一种包括分辨率模式切换的脉冲雷达水平感测的方法。用具有第一脉冲宽度的探头发射到储罐中的第一发送雷达脉冲来执行第一（初始）水平扫描。第一水平扫描可以扫描跨越至少探头的长度（探头长度）的至少大部分（＞50%）的第一扫描距离。与从使用被用于在第一水平扫描之后的至少第二水平扫描的相对窄脉冲宽度得到的相对高分辨率模式相比，第一水平扫描是从使用相对宽脉冲宽度得到的相对低分辨率模式。 [0010] 接收响应于第一脉冲而生成的第一回波并且然后进行分析以确定储罐中的产品材料的近似水平。用具有第二脉冲宽度的发射到储罐中的第二发送雷达脉冲来执行第二水平扫描，其中测量窗口＜包括近似水平的第一扫描距离。第二脉冲宽度＜第一脉冲宽度。分析响应于第二脉冲而生成的第二回波以确定针对材料的已修订较高分辨率水平测量结果。虽然在本文中一般地使用2个扫描分辨率水平来进行描述，但还可以与具有结果得到较高范围的分辨率水平的连续较窄的脉冲宽度一起使用超过2个扫描分辨率水平。 附图说明[0011] 图1是根据示例性实施例的使用分辨率模式切换的脉冲雷达水平寻找的示例性方法中的步骤的流程图。 [0013] 图3A是根据示例性实施例的脉冲宽度（为皮秒为单位）对比控制电压的图。 [0014] 图3B是根据示例性实施例的归一化电压对比时间（以ns为单位）的图，其示出了从不同控制电压的使用得到的不同脉冲宽度。 [0015] 图4A示出了根据示例性实施例的从第一脉冲宽度得到的示例性回波曲线，并且图4B示出了从第二较小脉冲宽度得到的示例性回波曲线。 [0016] 图5A描绘了根据示例性实施例的本质上跨整个探头长度扫描的第一探头相对低分辨率经过（宽脉冲宽度），其根据回波信号分析产生至少一个近似水平，并且图5B描绘了跨包括该近似水平的窗口扫描的第二相对高分辨率经过（较窄脉冲宽度），其根据回波信号分析产生已修订水平。 具体实施方式[0017] 参考附图来描述所公开的实施例，其中，遍及各图使用相同的参考标号来指定类似或等价元件。附图并未按比例描绘，并且其仅仅是为了举例说明某些公开方面而提供的。下面参考用于举例说明的示例性应用来描述多个公开方面。应理解的是阐述许多特定细节、关系以及方法是为了提供对所公开实施例的全面理解。 [0018] 然而，相关领域的技术人员将很容易认识到可以在没有特定细节中的一个或多个的情况下或者用其它方法来实践本文中公开的主题。在其它实例中，并未详细地示出众所周知的结构或操作以避免使某些方面含糊难懂。本公开并未受到动作或事件的所示顺序的限制，因为某些动作可按照不同顺序和/或与其它动作或事件同时地发生。此外，并非所有举例说明的动作或事件都是实现根据本文公开的实施例的方法所要求的。 [0019] 图1是示出了根据示例性实施例的使用分辨率模式切换的脉冲雷达水平感测的示例性方法100中的步骤的流程图。所公开的实施例涉及到使用根据回波曲线来确定储罐中的材料水平的两个或更多不同分辨率模式（RM）扫描（或扫掠）进行的用于储罐中的材料的脉冲雷达水平感测。第一扫描是使用初始低分辨率传输设置（相对宽的脉冲宽度）执行的，然后使用较高分辨率传输设置（相对窄的脉冲宽度）来执行至少第二水平扫描。如上所述，虽然一般地针对GWR应用描述了所公开的水平寻找，但还可以将公开实施例应用于非接触式雷达。 [0020] 步骤101包括用由探头（或波导）以使用第一脉冲宽度发射到在其中具有至少一种材料的储罐中的第一发送雷达脉冲执行的第一（初始）水平扫描。在此时间点，一般地不存在关于储罐中的当前水平到什么程度的信息。第一水平扫描扫描一般地跨越探头的长度（探头长度）的至少大部分（＞50%）的第一扫描距离，其可以是整个探头长度。与通过使用相对窄的脉冲宽度来实现较高分辨率模式的在第一水平扫描之后的第二水平扫描相比，第一水平扫描是通过使用相对宽的脉冲宽度的相对低分辨率模式。 [0021] 在步骤102中，分析响应于第一脉冲生成的第一回波以确定储罐中的材料的近似水平。步骤103包括用具有第二脉冲宽度的发射到储罐中的第二发送雷达脉冲执行的第二水平扫描，测量窗口＜包括近似水平的第一扫描距离。第二脉冲宽度＜第一脉冲宽度。在步骤104中，分析响应于第二脉冲而生成的第二回波以确定已修订材料水平测量结果。 [0022] 在一个实施例中，第二脉冲宽度小于或等于（≤）第一脉冲宽度的½，第二水平扫描的相应分辨率是第一水平扫描的分辨率的两（2）倍。在一个特定实施例中，第一脉冲宽度可以＞1000 ps且第二脉冲宽度＜500 ps。在某些实施例中，探头长度为至少20m，探头与材料接触，并且该方法包括导波雷达（GWR）。处理器可以包括微处理器、微控制器、数字信号处理器（DSP）、现场可编程门阵列（FPGA）、专用集成电路（ASIC）或分立逻辑器件。 [0023] 图2描绘了根据示例性实施例的包括公开的PRG 200的示例性GWR系统250，其实现一般在与处理器215相关联的存储器210的固件中实现的分辨率模式切换算法211。在存储器210的固件中还示出了水平寻找算法212。处理器215可以包括DSP或MCU，并且DSP或MCU芯片可以包括芯片上的存储器210，诸如用于存储相应算法的闪存。 [0024] 在发送模式下，处理器215向被连接到包括脉宽设置电路的可变脉宽生成器（VPGen）块218的输入端的数模转换器（DAC）217提供数字信号水平。虽然未示出，但VPGen块218可以包括提供可以触发Tx脉冲的第一时钟的第一振荡器。第一振荡器电路触发脉冲，并且由VPGen块218输出的脉冲宽度可以由电压基于由处理器215输出的数字信号水平来独立地控制。 [0025] 施加于VPGen块218的电压水平可以确定脉冲输出的脉冲宽度（参见下面描述的图3A）。从VPGen块218输出的信号的脉冲宽度可以具有不同的脉冲宽度，其导致穿透到储罐 205中的不同深度的发送信号。VPGen块218向收发机220的发送机提供模拟脉冲信号以便通过探头208传输到储罐205中。可以将由收发机220提供的发送机和接收机实现为单独块。因此，如本文中所使用的“收发机”包括这两个布置。 [0026] VPGen块218一般可以包括任何可变脉宽生成器电路，其提供小于总行进时间的脉冲宽度，或者反射脉冲将在雷达仍在进行发送的同时返回。一个布置包括有具有电压相关延迟的延迟电路的自定义专用集成电路（ASIC）。VPGen块218还可以包括在振荡器电路中的数字控制电位计。第二振荡器触发等效时间采样（ETS）所需的接收电路。第二振荡器触发ASIC中的发送脉冲的副本。此副本在微波混频器中与接收到的水平脉冲组合。混频器的集成电压输出对应于高频脉冲波形，但是采取可以被处理器215分析的低频形式，其中，使用电位计来精确地控制两个振荡器之间的频率差。在每个时钟周期，对混频器输出求积分，其中，电压对应于高频波形上的点。在许多时钟循环范围内，可以生成完整波形，但是在低频‘等效时间’内生成。所注意的是如果在脉冲宽度上存在足够的范围而不将频率差变成基础频率差的倍数、而是替代地每两个或三个脉冲获取也是可能的。 [0027] 可以计算或者另外确定对应于由VPGen块218输出的期望脉冲宽度的控制电压。例如，可以使用等式或凭经验确定的查找表来确定控制电压，其中，输入参数包括期望脉冲宽度，并且可以计算引起VPGen块218输出具有期望脉冲宽度的信号所需的电压。在某些实施例中，可以使用模型来确定对应于期望脉冲宽度的控制电压。所注意的是脉冲宽度一般地与带宽成反比。 [0028] 可以用任何适当方式来确定储罐中的水平，诸如通过使用TDR和飞行时间（TOF）计算。起分析器作用的处理器215可以通过VPGen块218来控制收发机220的发送机输出被用来在此时间期间获得水平测量结果的一系列信号。例如，一系列信号可以包括数千个或数万个脉冲。在特定实施例中，GWR可以每微秒发送一个脉冲。在此过程期间，起分析器作用的处理器215确定用于从PRG 200发送的一系列信号中的每个信号的脉冲宽度以便执行对象辨别。分析器可以使用ETS技术或其中每个脉冲对应于某个测量范围的其它技术。 [0029] 作为特定实例，PRG 200可以通过具有一对脉冲来实现ETS，所述一对脉冲中每个由单独的振荡器电路生成。第一脉冲触发脉冲生成。第二脉冲确定脉冲反射的采样定时。例如，如果第二脉冲在第一脉冲之后例如一纳秒（即，10-9秒），则采样距离是光速c/2*1×10-9秒＝15cm远。每个连续接收脉冲具有表示例如6mm的附加距离的略微较长的时间延迟，使得探头208随着每个连续脉冲在15 cm、15.006 cm、15.012 cm等的距离处进行采样。在不脱离本公开的范围的情况下，可以使用其它技术来实现ETS。 [0030] 在接收模式中，收发机220的接收机接收由传感器241转换的反射回波信号，其中，来自传感器241的输出信号被耦合到模数转换器（ADC）248，其将来自传感器241的模拟信号转换成用于起信号分析器作用的处理器215的数字信号。虽然未示出，如在本领域中已知且上文简要地描述的那样使用提供第二时钟的第二振荡器来帮助分析接收到的脉冲以实现ETS。 [0031] 示出了包括功率累积模块240的PRG 200。亦即，PRG 200在突发模式的短暂时段内消耗相对大量的功率并在其余时间内累积电荷（例如，在电容器中）。PRG电路200的功率累积模块240被耦合成诸如通过两个导线从外部电源接收功率。功率累积模块240可以包括电池或电容器组。 [0032] 收发机220经由同轴连接器225被耦合到探头（或波导）208。同轴连接器225一般地被安装在馈通（feed-through）（未示出）上。还示出了在储罐205的顶部上的同轴连接器225和收发机220。还可以存在具有从其中通过的馈通（未示出）的凸缘。如上所述，虽然一般地针对GWR应用进行描述，但还可以将所公开的水平寻找应用于超声和非接触式雷达。 [0033] 处理器215可以经由适当接口连接到外通信线路以用于模拟和/或数字通信。此外，虽然在图2中未示出，但PRG 200通常可连接到外部电源，或者其可以通过外部通信线路被供电。替换地，PRG 200可以被本地供电，并且可以被配置成进行无线通信。 [0034] 关于PRG 200的操作，例如，假设由于供应（或储存）的功率限制而不能立刻确定针对整个探头208的水平，但想要在75 m长的探头上尽快到找到水平，诸如PRG 200局限于两个5,000样本测量窗口。可以在低分辨率（例如，8mm）测量模式（2×5,000×8 mm＝80 m＞长度）中快速地找到近似水平，其中，可以找到初始近似水平（参见下面描述的图5A）。在找到初始近似水平之后，然后可以在近似找到的水平附近执行用导致较高分辨率的减小脉冲宽度进行的更精确测量（参见下面描述的图5B）。 [0035] 示例进一步用以下特定示例来举例说明所公开的实施例，不应将以下特定示例理解为以任何方式限制本公开的范围或内容。 [0036] 图3A图示出PRG（诸如GWR）中的脉冲宽度与控制电压（V）之间的示例性关系。特别地，图3A是脉冲对比控制电压（V）的负波瓣的图形表示，用线305表示。线305可以用来定义被用来识别与期望脉冲宽度相关联的控制电压的模型。 [0037] 图3B图示出表示用来测量储罐中的材料的水平的信号的示例性波形。如图3B中所示，发送机以分别地与0.25 V、0.5 V、0.75 V和1.0 V的控制电压相关联的不同脉冲宽度经由探头208向储罐205中发送信号。如这里所示，所发送信号的波形根据脉冲宽度而改变。 [0038] 根据示例性实施例，针对储罐中的相同材料内含物，图4A示出了从第一脉冲宽度（750纳秒）得到的示例性回波曲线，并且图4B示出了从第二较小脉冲宽度（250纳秒，示为“短脉冲”）得到的示例性回波曲线。这示出了沿着探头发送的作为时间的函数的电压。其是双极脉冲，并且可以将脉冲宽度表征为脉冲的负部分的半最小值处全宽度。在图4A和4B之间，可以看到可以使用控制电压在宽范围内改变脉冲宽度。 [0039] 如上所述，针对有限的功率可用性PRG，可能不可能立刻测量整个探头长度，但是用户可能需要尽快地找到材料水平，诸如当使用75 m长的探头时。图5A描绘了第一探头相对低分辨率扫描（宽脉冲宽度和大范围分辨率），其本质上跨通过馈通235而耦合到储罐的探头208的整个长度进行扫描，其根据分析产生至少一个近似水平。第一扫描因此在一个低分辨率“经过”中粗略地测量整个探头长度以找到近似水平。 [0040] 在找到近似水平之后，本方法围绕该近似水平移动至高分辨率模式以提供更准确（较高分辨率）测量结果。根据示例性实施例，图5B描绘了根据示例性实施例的第二相对高分辨率经过（较窄脉冲宽度和较小范围分辨率），其跨包括所示窗口的各窗口进行扫描，所示窗口包括近似水平，其根据分析产生已修订水平测量结果。 [0041] 虽然上文已描述了各种所公开的实施例，但应理解的是其仅仅是已经以示例的方式提出的而非限制。在不脱离本公开的精神或范围的情况下可以根据本公开对本文中公开的主题进行许多改变，诸如将公开实施例应用于超声水平感测系统。另外，虽然可能已关于多个实施方式中的仅一个公开了特定特征，可如对于任何给定或特定应用而言可能期望且有利的那样将此类特征与其它实施方式的一个或多个其它特征组合。 |
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